Kubernetes 是一个开源平台，用于自动化容器化应用程序的部署、扩展、网络和管理。它为在机器集群上运行工作负载提供了一致的控制层，同时允许团队定义其应用程序的期望状态。
Kubernetes 在云原生环境中被广泛使用，但并不是每个容器化应用程序的必需品。它的价值取决于规模、操作需求、团队能力和待管理工作负载的复杂性。
什么是 Kubernetes？
Kubernetes，通常缩写为 K8s，是一个容器编排平台，最初由谷歌开发，现在作为开源项目在云原生计算基金会下维护。它协调集群中的容器，并提供调度、服务发现、扩展、配置和工作负载恢复的机制。
管理员不再手动告诉各个服务器具体运行什么，而是描述应用程序的期望状态。Kubernetes 控制器不断工作，以使实际环境朝该状态移动。
Kubernetes 如何工作
- 团队在 Kubernetes 资源中定义应用程序需求。
- Kubernetes 控制平面存储和处理期望状态。
- 调度器为工作负载选择合适的工作节点。
- 工作节点上的 Kubelet 代理确保分配的工作负载在运行。
- 控制器监控资源，并在实际状态与期望状态不同时做出响应。
- 网络组件使服务在集群内或外部可访问。
这种声明性模型是 Kubernetes 的核心思想之一。如果容器失败或工作负载需要额外副本，Kubernetes 可以根据其配置采取纠正措施。
Kubernetes 核心组件
集群
Kubernetes 集群是运行工作负载的整体环境。它包含控制平面和一个或多个工作节点。
控制平面
控制平面管理集群的期望状态并协调主要编排功能。关键组件包括 API 服务器、调度器、控制器管理器和集群状态存储。
节点
工作节点提供运行应用工作负载的计算资源。每个节点都有与控制平面通信并管理容器的组件。
Pods
Pod 是 Kubernetes 的基本可部署单元。它可以包含一个或多个紧密相关的容器，共享网络和存储资源。
服务
Kubernetes Service 提供了一种稳定的方式来访问一组 Pods。这个抽象帮助应用程序进行通信，即使单个 Pods 被替换。
部署
Deployment 管理复制的应用 Pods，并支持许多常见无状态工作负载的受控更新和回滚。
Kubernetes 与 Docker
| 领域 | Kubernetes | Docker |
|---|---|---|
| 主要角色 | 容器编排和工作负载管理 | 容器开发和运行时工具 |
| 调度 | 在集群节点之间调度工作负载 | Docker 本身不是一个完整的集群编排器 |
| 扩展 | 支持工作负载扩展机制 | 取决于周围的平台 |
| 服务发现 | 提供集群网络和服务抽象 | 主要集中在容器和镜像上 |
| 典型范围 | 多节点应用环境 | 容器构建和执行工作流程 |
Docker 和 Kubernetes 不是直接的替代品。开发者可以使用兼容 Docker 的工具来构建和打包镜像，而使用 Kubernetes 来编排工作负载，尽管 Kubernetes 支持多种容器运行时和镜像工作流程。
Kubernetes 主要功能
- 声明式配置： 团队描述工作负载和资源的期望状态。
- 调度： Kubernetes 根据资源和调度规则将工作负载放置在可用节点上。
- 自愈： 控制器可以替换失败的 Pods 并维持所需的副本。
- 服务发现： 服务为工作负载提供稳定的网络端点。
- 扩展： 工作负载可以手动扩展或通过支持的自动扩展机制进行扩展。
- 滚动更新： 部署可以逐渐替换应用版本。
- 配置管理： ConfigMaps 和 Secrets 提供应用配置和敏感值的机制。
组织为什么使用 Kubernetes
Kubernetes 可以标准化团队如何部署和操作容器化应用。一个公共平台可以为调度、网络、可观察性、安全性和部署自动化提供共享模式。
它还可以支持需要多个副本、频繁部署或在不同节点之间放置工作负载的应用。然而，这些优势需要与运行和保护 Kubernetes 环境的操作复杂性相权衡。
Kubernetes 和云计算
主要云服务提供商提供托管的 Kubernetes 服务。托管控制平面可以减少一些基础设施责任，尽管团队仍需要了解工作负载、网络、身份、安全性、存储、成本和集群操作。
Kubernetes 还可以在私有基础设施或混合环境中运行。虽然可移植性是可能的，但应用程序仍可能对特定提供商的服务和基础设施产生依赖。
Kubernetes 网络
Kubernetes 网络允许 Pods 和 Services 在集群内进行通信。该平台的网络模型依赖于容器网络接口实现，并可以通过网络策略和其他网络组件进行扩展。
对于外部流量，团队可以根据平台和网络栈使用 Ingress 或基于新 Gateway API 的方法等机制。网络策略可以限制哪些工作负载被允许进行通信。
Kubernetes 存储
容器通常被视为可替换的，因此需要持久数据的应用程序需要明确的存储设计。Kubernetes 提供了如 PersistentVolumes 和 PersistentVolumeClaims 的抽象，用于请求持久存储。
存储行为取决于基础设施和存储驱动程序。团队应该测试备份、恢复、性能和故障场景，而不是假设持久存储是自动受保护的。
Kubernetes 安全性
Kubernetes 安全性涉及集群、工作负载、身份、映像、网络路径、秘密和基础设施。一个安全的配置应该实施最小权限，并减少不必要的访问。
- 使用基于角色的访问控制和适当的权限。
- 保护 Kubernetes API 访问。
- 扫描容器映像和依赖项以查找漏洞。
- 使用受信任的映像来源和受控的注册表。
- 保护 Secrets，避免在源代码中暴露凭证。
- 在适当的地方应用网络策略。
- 保持 Kubernetes 和节点组件的维护。
- 监控集群和工作负载活动。
Kubernetes 可观察性
监控 Kubernetes 环境需要对基础设施和应用行为的可见性。团队通常收集指标、日志和分布式追踪信息。
有用的信号包括节点资源使用情况、Pod 重启、部署健康状况、API 服务器活动、应用延迟、错误率和资源饱和。标准化的可观察性可以使分布式故障更容易调查。
如何开始使用 Kubernetes
- 在采用编排之前，学习容器基础知识。
- 构建一个小型应用程序镜像并在本地运行。
- 学习 Pods、Deployments、Services、ConfigMaps 和 Secrets。
- 将应用程序部署到开发集群。
- 配置资源请求和限制。
- 添加健康检查和基本可观察性。
- 应用访问控制和安全策略。
- 在生产之前自动化部署和测试故障场景。
专家建议
- 从满足工作负载要求的最简单集群架构开始。
- 根据测量的行为定义 CPU 和内存请求及限制。
- 谨慎使用就绪和存活探针。
- 将清单保存在版本控制中，并偏好声明式管理。
- 在交付管道中自动化安全和镜像扫描。
- 随着工作负载的增长监控集群成本。
- 记录集群、命名空间、工作负载和关键服务的所有权。
常见的 Kubernetes 错误
- 在一个更简单的托管平台能够满足要求时采用 Kubernetes。
- 在没有资源请求和限制的情况下运行工作负载。
- 在没有适当访问控制的情况下公开服务。
- 忽视持久存储备份和恢复。
- 使用过多的管理权限。
- 未能监控 Pod 失败和资源饱和。
- Assuming managed Kubernetes removes all operational responsibility.
常见问题解答
Kubernetes 通俗易懂地说是什么？
Kubernetes is a platform that automates the deployment, scaling, networking, and management of containerized applications across a cluster of machines.
为什么 Kubernetes 被称为 K8s？
K8s is a common abbreviation for Kubernetes. The number 8 represents the eight letters between the first and last letters of the word.
Kubernetes 是一个容器吗？
No. Kubernetes is an orchestration platform. It manages containerized workloads rather than being a container itself.
Kubernetes 和 Docker 是同一个吗？
No. Docker provides container development and runtime tooling, while Kubernetes coordinates containerized workloads across clusters.
所有应用程序都需要 Kubernetes 吗？
No. Small applications and straightforward workloads may be better served by simpler deployment platforms. Kubernetes becomes more relevant when orchestration capabilities justify its complexity.
什么是 Kubernetes Pod？
A Pod is the basic deployable unit in Kubernetes and can contain one or more containers that share networking and storage resources.
Kubernetes 能否自动扩展应用程序？
Yes. Kubernetes supports several scaling mechanisms, including workload replicas and autoscaling features, when configured appropriately.
Kubernetes 安全吗？
Kubernetes provides security mechanisms such as RBAC and network policies, but secure operation depends on correct configuration, maintenance, workload security, and monitoring.
结论
Kubernetes provides a powerful framework for deploying and operating containerized applications. Its declarative model, scheduling, service discovery, scaling, and self-healing capabilities can help organizations manage complex workloads consistently.
However, Kubernetes also adds significant operational complexity. Teams should adopt it when its orchestration capabilities solve real requirements and should invest in security, observability, automation, and cost management from the beginning.
Want to continue exploring modern infrastructure? Next in this technology series is Container Orchestration, where we examine the broader concepts behind managing containers at scale.
